KR20230159394A - 액체로 채워진 시편의 누출 검사용 누출 감지 장치의 기능 검사 - Google Patents

액체로 채워진 시편의 누출 검사용 누출 감지 장치의 기능 검사 Download PDF

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KR20230159394A
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인피콘 게엠베하
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Abstract

내부 압력이 대기압보다 낮은 액체(12)로 채워진 시편(14)의 누출 검사용 누출 감지 장치의 기능 검사를 위한 누출 검사 장치에 있어서,
검사액(104)으로 채워진 저장소(102)로서, 상기 검사액(104)은 실온에서 증기압이 500 mbar 미만이고, 출구(106)를 포함하는 저장소; 및
상기 저장소(102)와 협력하고, 상기 검사액(104)이 상기 출구를 통해 펌프(100)로부터 빠져나가는 방식으로 상기 저장소(102)의 상기 검사액(104)을 이송하도록 구성된 펌프(100)를 포함한다.

Description

액체로 채워진 시편의 누출 검사용 누출 감지 장치의 기능 검사
본 발명은 액체로 채워진 시편(test specimen)의 누출 검사용 누출 감지 장치의 기능 검사를 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.
시편의 기밀성을 검사하기 위해 배터리와 같은 액체가 채워진 시편에 대해 누출 감지가 수행되는 것이 알려졌다. 일반적으로, 그러한 시편에서 검사 가스로 시편 내에서 이용 가능한 가스가 없으며 시편은 별도의 검사 가스로 능동적으로 채워질 수 없거나 채워져서는 안 된다. 이것은 예를 들어 전해질로 채워진 리튬 이온 배터리와 같은 전해질 액체로 채워진 배터리의 경우이며, 상기 전해질은 용매 디메틸 카보네이트를 필수 성분으로 포함한다.
이러한 시편의 누출 감지는 감지기(detector)의 도움으로 시편 내부에서 누출을 통해 흘러나오는 시편 내의 액체 부분을 감지하는 원리를 기반으로 한다. 누출 검사를 위해 시편이 진공 챔버 내로 도입된다. 시편에서 빠져나온 액체 부분은 진공 펌프의 진공 시스템을 통해 진공 챔버 밖으로 지속적으로 이송되어 적절한 센서로 공급된다.
냉동/공조 산업에서, 액체 냉매로 채워진 시편(예: 열교환기)의 누출을 검사하는 것은 잘 알려졌다. 이 시편의 특징은 냉매의 액상을 얻기 위해 액체 냉매가 과압 상태에서 시편에 포함된다는 것이다. 이러한 액체 냉매가 채워진 시편의 누출 검사를 위하여, 누출 검사 대상 시편의 영역을 따라 스니퍼 프로브를 안내하고, 상기 스니퍼 프로브는 외부 대기로 빠져나온 냉매를 흡입하여 증발시키고, 가스 감지기에 상기 냉매를 공급한다. 스니퍼 프로브는 시편의 환경에서 공기를 빨아들여 빠져나가는 누출 가스를 포착하고 해당 센서에 의해 선택적으로 감지되어 흡입된 공기 성분과 구별된다.
시편의 외부 환경(예: 내부 압력이 약 50 내지 500 mbar 범위)에서 내부 압력이 대기압보다 낮은 액체로 채워진 시편의 경우, 스니퍼 누출 감지 방법은 누출 시 누출 가스가 외부로 빠져나가지 않기 때문에 적용할 수 없다. 예를 들어, 증기압이 낮고 음압이 우세한 액체 전해질로 채워진 배터리의 경우, 외부 시편 환경의 공기는 누출 시 시편 내부로 침투한다. 상기 누출은 스니퍼 프로브의 도움으로 감지할 수 없다.
종래의 보정 장치 또는 누출 검사 장치는 위에서 설명한 유형의 누출 감지 장치의 기능을 검증하는 데 사용할 수 없다. 이것은 기존의 검사 누출은 검사액을 저장소에 저장했다가 모세관이나 멤브레인을 통해 저장소 밖으로 내보내는 원리를 기반으로 하기 때문이다. 다만, 본 누출 감지 장치에서는 상온에서 증기압이 500 mbar 이하로 낮은 검사액을 사용해야 한다. 예를 들어 용매인 에틸렌 아세테이트의 증기압은 20℃에서 103 mbar 이다. 이러한 검사액은 압력 차이로 모세관 또는 멤브레인을 통해 충분한 양으로 감지 시스템에 유입될 수 없다.
본 발명은 액체로 채워진 시편의 누출 검사용 누출 감지 장치의 기능 검사를 위한 장치 및 방법에 관한 것이다. 이러한 배경에서, 본 발명의 목적은 액체로 채워진 시편의 누출 검사용 누출 감지 장치의 기능 검사를 위해 개선된 누출 검사 장치 및 개선된 방법을 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 누출 검사 장치는 청구항 1의 특징에 의해 정의된다.
따라서 저장소는 실온에서 증기압이 500 mbar 미만인 검사액으로 채워진다. 저장소는 검사액용 출구를 포함한다. 본 발명에 따른 장치의 특징은 저장소로부터 검사액을 이송하도록 구성된 펌프가 검사액이 저장소로부터 액체 형태로 출구를 통해 펌프로부터 빠져나가는 방식으로 저장소와 협력한다는 점이다. 펌프를 사용하면 증기압이 낮은 액체라도 이송 작업당 충분한 양으로 누출 감지 장치에 공급하는 것이 가능하다.
펌프는 예를 들어 이송 작업당 출구로부터 100 μl 미만, 바람직하게는 100 nl 미만의 유량을 전달하도록 구성된 마이크로-계량 펌프일 수 있다. 누출 검사 장치, 펌프 및/또는 출구는 스프레이 미스트(spray mist)로서 출구로부터 검사액을 이송하도록 구성될 수 있다. 펌프는 이송 작업마다 펌프에 의해 전달될 유량을 측정하기 위한 피에조(piezo) 액체 계량 장치를 포함할 수 있다.
시편은 예를 들어 배터리일 수 있다. 시편 내의 액체 및/또는 검사액은 전해질 또는 전해질의 개별 성분일 수 있다.
본 발명에 따른 방법은 청구항 6의 특징에 의해 정의된다. 따라서 누출 감지 장치의 테스트 챔버는 먼저, 대기압보다 낮은 압력이 된다. 그런 다음 미리 결정된 양의 검사액이 실온에서 500 mbar 미만의 증기압을 갖는 테스트 챔버로 전달된다. 전달된 양의 검사액은 누출 감지 장치의 감지기로 이송되어 감지기에 의해 감지된다. 이 경우에 검사액은 증발된 형태의 분자 입자 형태로 감지기에 공급될 수 있다. 증발은 일반적으로 누출 검사 장치의 출구에서 검사액이 빠져나간 후에 발생한다. 일반적으로 검사액은 누출 채널의 출구 또는 저장소에서 출구를 형성하는 출구 채널에서 증발한다.
바람직하게는, 펌프는 예를 들어 출구의 펌프 행정의 형태로 이송 작업당 미리 결정된 양의 검사액을 이송하도록 구성된다. 그렇게 할 때, 100 μl 미만, 바람직하게는 100 nl 미만의 검사액이 이송 작업마다 출구에서 이송되어야 한다. 검사액은 희석된 형태일 수 있다.
검사액은 스프레이 미스트 형태로 출구로부터 이송될 수 있다. 또는 검사액이 저장소를 떠난 후 출구를 통해 증발하여 저장소 외부에 기체 형태로 존재하는 것을 생각할 수 있다.
펌프는 저장소와 누출 검사 장치의 출구 사이에 배치될 수 있으므로 저장소와 출구에 유체로 연결된다.
캐리어 가스가, 예를 들어 테스트 챔버에 연결된 캐리어 가스 공급원으로부터 또는 테스트 챔버의 환경으로부터 유입되는 외부로부터 테스트 챔버에 공급되지 않는 것을 생각할 수 있다. 특히 이것은 시편의 표면을 따라 안내되는 가스 유동을 초래하지 않는다. 오히려 검사액의 일부 또는 입자가 잔류 가스 성분과 함께 테스트 챔버에서 인출되어 감지기로 공급된다. 여기서, 캐리어 가스는 필요하지 않다.
테스트 챔버는 리지드(rigid)하게 형성된 벽을 가진 리지드 테스트 챔버로 설계할 수 있다. 또는, 테스트 챔버는 필름 챔버로도 설계될 수 있는데, 이 챔버는 배기 중에 시편에 대해 흡입되고 필름 챔버의 부피를 감소시키는 적어도 하나의 플렉서블(flexible) 벽 영역을 갖는 것을 특징으로 한다. 또한, 필름 챔버, 특히 전체가 플렉서블 필름으로 구성된 벽은 시편에 대해 흡입된 벽이 시편을 지지하는 이점을 제공하며, 이는 플렉서블 시편의 경우에 특히 유리하다.
감지기는 감지할 액체의 부분 또는 입자를 선택적으로 감지하여 다른 부분 또는 기체와 구별할 수 있는 센서를 포함한다. 유출된 액체의 일부는 액체 형태일 수 있고 감지기에 공급될 수 있다. 이와 관련하여, 감지기는 액체를 분석하고 시편에 포함된 액체를 선택적으로 감지할 수 있어야 한다. 누출된 액체와 검사액은 예를 들어 미스트 또는 에어로졸 형태로 감지기에 공급될 수 있다.
또는, 액체가 시편의 누출을 통해 빠져나올 때 증발하고 빠져나온 액체의 부분이 증발된 형태, 즉 기체 상태로 감지기에 공급되는 것이 제공될 수 있다. 그런 다음 감지기는 가스 감지기로 설계되어야 하며 가스를 분석하여 시편의 액체를 기상(gaseous phase)으로 다른 기체와 선택적으로 구별할 수 있어야 한다. 여기에서 결정적인 요소는 시편에 포함된 액체가 시편을 떠날 때까지, 즉 시편 외부 또는 누출의 개구부 또는 채널에서 액상으로부터 기상으로 변경되지 않는다는 것이다. 따라서, 시편 내의 액체가 누출을 통해 빠져나와 증발하더라도 시편 내의 액체는 액체 형태이므로 시편 내에 존재하는 어떠한 가스도 검사 가스로 사용되지 않는다.
감지될 액체의 부분에 대한 감지기는 예컨대, 질량 분석기, 가스 크로마토그래프, 적외선 흡수 검출기 또는 화학 센서나 반도체 센서를 갖는 감지기와 같은 가스 감지기일 수 있다.
바람직하게는, 액체의 부분을 이송하는 가스 유동은 압력 한계값이 테스트 챔버에서 또는 테스트 챔버와 테스트 챔버를 배기하는 진공 펌프 사이의 연결 라인에서 압력 제한 값에 도달할 때까지 감지기에 공급되지 않는다. 이 압력 한계값은 대략 2 mbar와 50 mbar 사이일 수 있으며, 바람직하게는 20bar 미만이다.
바람직하게는 멤브레인 펌프인 진공 펌프는 밸브를 통해 테스트 챔버 및/또는 진공 펌프와 테스트 챔버를 연결하는 가스 라인에 연결될 수 있다. 테스트 챔버의 배기가 시작될 때 밸브가 닫힌다. 압력 한계값에 도달하면 밸브가 열리고 일부 유동이 감지기에 도달하는 반면, 나머지 주요 가스 유동은 멤브레인 펌프에 의해 계속 끌어온다. 여기서, 특히 멤브레인 펌프 형태의 진공 펌프와 함께, 종래의 캐리어 가스 방식과 달리 누출로부터 빠져나가는 액체 부분의 축적이 달성된다. 압력 한계값에 도달하면 해당 시점까지 축적된 액체 부분이 감지기에 공급된다.
유리하게는, 기능 테스트가 수행되기 전에 시편에 부착된 액체 부분을 제거하기 위해 테스트 챔버 내의 시편이 퍼지 가스로 퍼지되는 것이 제공된다. 바람직하게는, 시편은 실제 누출 감지 또는 기능 테스트가 수행되기 전에, 예를 들어 테스트 챔버를 배기하기 전에 퍼지 가스로 퍼지된다.
분석을 위해 검사액이 감지기에 공급되기 전에 테스트 챔버 또는 연결 라인의 검사액 부분이 일정 기간에 축적되는 것을 생각할 수 있다.
하기에서, 본 발명의 실시예를 도면을 참조하여 더 상세하게 설명한다. 도면들에서,
도 1은 누출 감지 장치의 예시적인 실시예의 블록도이고,
도 2는 누출 검사 장치의 예시적인 실시예의 블록도이다.
예시적인 실시예에서, 액체(12)로 채워진 시편(14)은 테스트 챔버(16)에 수용된다. 시편(14)은 전해액이 충전된 배터리이다. 본 예시적인 실시예에서, 테스트 챔버(16)는 종래의 리지드 테스트 챔버이다.
테스트 챔버(16)에는 테스트 챔버(16)를 배기하는 데 사용될 수 있는 진공 펌프(24)가 연결되는 진공 연결부(22)가 제공된다. 이를 위해, 진공 펌프(24)는 멤브레인 펌프 형태의 적어도 하나의 진공 펌프를 포함한다. 테스트 챔버(16)와 진공 펌프(24)는 진공 펌프(24)가 연결 라인(26)을 통해 테스트 챔버(16)로부터 가스를 끌어올 수 있도록 연결 라인(26)에 의해 가스-전도 방식으로 서로 연결된다.
액체(12)의 일부를 분석 및 감지하기 위한 감지기(28)는 진공 펌프(24)를 테스트 챔버(16)에 연결하는 연결 라인(26)에 연결된다. 두 가지 예시적인 실시예 모두에서, 감지기(28)는 예컨대, 질량 분석기 형태의 선택적 가스 감지기이며, 그 센서는 액체(12)의 분자 입자를 선택적으로 감지하고 다른 가스와 구별할 수 있다. 감지기(28)는 질량 분석기(28)를 배기하기 위한 전진공 펌프(19)와 고진공 펌프(18)를 포함하는 질량 분석 진공 시스템(20)의 일부이다.
감지기(28)는 가스-전도 검출 라인(21)을 통해 가스-전도 방식으로 연결 라인(26)에 연결된다. 검출 라인(21)에는 연결 라인(26)에서 전환된 가스 유동을 조절하기 위한 스로틀(38)과 검출 라인(21)을 선택적으로 폐쇄하기 위한 밸브(V2)가 제공된다. 연결 라인(26) 내의 압력을 측정하기 위해, 후자는 가스-전도 방식으로 압력 센서(17)에 연결된다.
액체(12)의 일부는 시편(14)의 누출에서 빠져나와 테스트 챔버(16)로 들어간다. 액체(12)가 시편(14)으로부터 빠져나감에 따라, 빠져나온 액체 부분이 기체 형태가 되도록 증발할 수 있다.
감지기(28)는 테스트 챔버(16) 내의 압력보다 낮은 압력 및 연결 라인(26)과 검출 라인(21) 사이의 연결 지점(40)에서의 압력보다 낮은 압력에서 진공 시스템(20)의 질량 분석기로서 작동된다. 그러나 테스트 챔버(16)를 배기하기 위해 본 발명에 따라 사용되는 멤브레인 펌프(24)에서는 테스트 챔버(16) 내에서 고진공이 생성되지 않는다. 오히려, 멤브레인 펌프(24)는 수 밀리바 범위의 압력을 생성한다. 멤브레인 펌프(24)는 테스트 챔버(16)로부터 여전히 존재하는 잔류 가스 성분을 끌어들인다. 또한, 테스트 챔버(16) 내에서 약 10 mbar 범위의 압력에 도달하면 가스 성분이 테스트 챔버의 벽에서 탈착되며 멤브레인 펌프(24)에 의해 인출된다. 상기 가스 성분, 즉 테스트 챔버(16)의 잔류 가스 성분 및 그 벽에서 탈착되는 가스 성분은 시편(14)으로부터 누출을 통해 테스트 챔버(16)로 들어가는 액체(12)의 일부를 흡수한다. 상기 액체(12)의 부분은 감지기(28)에 공급된다.
배기 후 테스트 챔버(16) 내부의 진공 압력은 수 밀리바이다. 시편(14)으로부터 빠져나와 증발하는 액체(12) 부분의 확산은 이 압력에서 여전히 불활성이다. 빠져나온 액체(12) 부분을 감지기(28)로 이송하는 것은 캐리어 가스를 사용하지 않고 외부로부터 테스트 챔버(16)에 공급하지 않고 가스 성분들로 가속된다.
누출 감지 장치의 기능은 도 2에 표시된 누출 검사 장치로 검사된다. 여기에서 누출 감지 장치의 보정은 누출 검사 장치를 사용하여 수행할 수도 있다. 누출 검사 장치는 검사액(104)으로 채워진 저장소(102)를 포함한다. 본 예시적인 실시예에서, 검사액은 용매인 디메틸 카보네이트이다. 펌프(100)는 저장소(102)에서 출구(106)로 그리고 출구(106) 밖으로 검사액(104)을 펌핑한다.
펌프(100)는 출구(106) 밖으로 액체 형태의 검사액(104)을 이송한다. 테스트 챔버(16)의 압력 조건에 따라, 출구(106)로부터 빠져나가는 검사액이 스프레이 미스트 형태의 에어로졸을 형성하거나 증발하여 기상으로 변화하는 것을 생각할 수 있다. 이러한 방식으로 출구(106)에서 빠져나온 검사액 부분은 감지기(28)로 이송되어 분석된다. 그렇게 함으로써, 측정된 감지 신호는 감지기(28)를 보정한다는 의미에서 공지된 검사액의 미리 결정된 양에 할당된다.
출구(106)로부터 빠져나온 액체 부분은 테스트 챔버(16) 내에 또는 빠져나온 검사액(104) 부분이 감지기(20)에 공급되기 전에 연결 라인(26) 내에 축적되는 것을 생각할 수 있다. 이를 위해, 도 1에 도시되지 않은 밸브가 연결 지점(40)과 멤브레인 펌프(24) 사이에 제공되며, 이 밸브는 감지가 발생하기 전에 테스트 챔버(16) 내에 충분한 진공 압력이 도달하여 테스트 챔버(16) 내에서 또는 테스트 챔버(16)와 도시되지 않은 밸브 사이의 연결 라인(26)에 빠져나온 액체 부분의 축적을 유발할 때 폐쇄된다. 밸브(V2)는 감지 목적으로 열 수 있다. 축적 단계 동안 밸브(V2)는 닫히거나 열릴 수 있다.

Claims (14)

  1. 내부 압력이 대기압보다 낮은 액체(12)로 채워진 시편(14)의 누출 검사용 누출 감지 장치의 기능 검사를 위한 누출 검사 장치에 있어서,
    검사액(104)으로 채워진 저장소(102)로서, 상기 검사액(104)은 실온에서 증기압이 500 mbar 미만이고 출구(106)를 포함하는 저장소(102); 및
    상기 저장소(102)와 협력하고, 상기 검사액(104)이 상기 저장소(102)로부터 액체 형태로 상기 출구(106)를 통해 펌프(100)로부터 빠져나가는 방식으로 상기 저장소(102)의 상기 검사액(104)을 이송하도록 구성된 펌프(100);를 포함하는, 기능 검사를 위한 누출 검사 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 펌프(100)는 이송 작업마다 상기 출구(106)로부터 100 ㎕ 미만, 바람직하게는 100 nl 미만의 상기 검사액(104)의 유량을 전달하도록 구성된 마이크로-계량 펌프인 것을 특징으로 하는, 기능 검사를 위한 누출 검사 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 누출 검사 장치, 상기 펌프(100) 및/또는 상기 출구(106)는 상기 검사액(104)을 상기 출구(106)로부터 스프레이 미스트로서 이송하도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 기능 검사를 위한 누출 검사 장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 펌프(100)는 이송 작업마다 상기 펌프(100)에 의해 전달될 유량을 측정하기 위한 피에조 액체 계량 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는, 기능 검사를 위한 누출 검사 장치.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 시편(14)은 배터리이고, 상기 액체(12)는 전해질 또는 용매이고/이거나 상기 검사액(104)은 전해질 또는 용매인 것을 특징으로 하는, 기능 검사를 위한 누출 검사 장치.
  6. 내부 압력이 대기압보다 낮은 액체(12)로 채워진 시편(14)의 누출 검사용 누출 감지 장치의 기능 검사를 위한 방법에 있어서,
    상기 누출 감지 장치의 테스트 챔버(16)를 대기압보다 낮은 압력으로 배기하는 단계;
    상온에서 500 mbar 미만의 증기압을 갖는 미리 결정된 양의 검사액(104)을 상기 테스트 챔버(16)로 전달하는 단계;
    상기 전달된 양의 검사액(104)을 상기 누출 감지 장치의 감지기(28)로 이송하는 단계; 및
    상기 감지기(28)에 의해 상기 이송된 검사액(104)의 양을 감지하는 단계;를 포함하는, 누출 감지 장치의 기능 검사를 위한 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 검사액(104)은 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 따르는 누출 검사 장치에 의해 전달되는 것을 특징으로 하는, 누출 감지 장치의 기능 검사를 위한 방법.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    100 ㎕ 미만, 바람직하게는 100 nl 미만의 상기 검사액(104)의 유량은 이송 작업마다 상기 출구(106)로부터 이송되는 것을 특징으로 하는, 누출 감지 장치의 기능 검사를 위한 방법.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 검사액(104)은 상기 출구(106)로부터 스프레이 미스트로서 이송되는 것을 특징으로 하는, 누출 감지 장치의 기능 검사를 위한 방법.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 검사액(104)은 잔류 가스 성분과 함께 및/또는 상기 테스트 챔버(16)의 벽으로부터 탈착되는 가스 성분과 함께 상기 테스트 챔버(16)로부터 인출되고, 외부에서 별도의 캐리어 가스를 상기 테스트 챔버(16)로 공급하지 않고 감지기(28)로 공급되는 것을 특징으로 하는, 누출 감지 장치의 기능 검사를 위한 방법.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 감지기(28)는 질량 분석기, 가스 크로마토그래프, 적외선 흡수 검출기, 또는 화학 또는 반도체 센서를 갖는 감지기와 같은 가스 감지기인 것을 특징으로 하는, 누출 감지 장치의 기능 검사를 위한 방법.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 감지기(28)는 상기 테스트 챔버(16) 내의 압력보다 낮은 압력을 갖는 진공 시스템에서 작동되는 것을 특징으로 하는, 누출 감지 장치의 기능 검사를 위한 방법.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 테스트 챔버(16) 내 또는 상기 연결 라인 내의 상기 검사액(104)은 상기 검사액(104)이 상기 감지기(28)에 의해 감지되기 전에 일정 기간 동안 축적되는 것을 특징으로 하는, 누출 감지 장치의 기능 검사를 위한 방법.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 검사액(104)은 상기 테스트 챔버(16)에서 미리 결정된 압력 한계값에 도달할 때까지 상기 감지기(28)에 공급되지 않는 것을 특징으로 하며, 바람직하게는 상기 압력 한계값은 2 내지 100 mbar 범위 또는 20 mbar 미만인 것을 특징으로 하는, 누출 감지 장치의 기능 검사를 위한 방법.

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